Les progr\u00e8s sur la compr\u00e9hension du fonctionnement du cerveau sont intrins\u00e8quement li\u00e9s aux progr\u00e8s des m\u00e9thodes d\u2019investigation. La dynamique des r\u00e9cepteurs de neurotransmetteurs joue un r\u00f4le d\u00e9terminant dans le fonctionnement des synapses et n\u00e9cessite de nouvelles approches pour \u00eatre \u00e9tudi\u00e9e au niveau de tissus c\u00e9r\u00e9braux intacts. Nous rapportons dans Science Advances le d\u00e9veloppement d\u2019une boite \u00e0 outil compl\u00e8te depuis un nouveau mod\u00e8le animal et un instrument d\u2019imagerie jusqu\u2019aux techniques de marquage et de contr\u00f4le de la dynamique des r\u00e9cepteurs qui permet de marquer par fluorescence et manipuler le mouvement des r\u00e9cepteurs dans le cerveau.<\/p>\n
Les r\u00e9cepteurs de neurotransmetteurs sont concentr\u00e9s dans les synapses en face des zones de lib\u00e9ration du neurotransmetteur. C\u2019est ce qui permet une transmission synaptique rapide et fid\u00e8le. Depuis 20 ans, notre laboratoire en premier en collaboration avec celui d\u2019Antoine Triller, puis de nombreux autres, ont \u00e9tablis que ces r\u00e9cepteurs ne sont en fait pas immobiles dans les synapses mais sont en fait en grande partie tr\u00e8s mobiles et \u00e9changent en permanence entre les zones synaptiques et extrasynaptiques par diffusion al\u00e9atoire (brownienne). C\u2019est un savant \u00e9quilibre entre cette mobilit\u00e9 et la stabilisation r\u00e9versible des r\u00e9cepteurs aux synapse par interaction avec des prot\u00e9ines d\u2019\u00e9chafaudage qui d\u00e9termine le nombre de r\u00e9cepteurs \u00e0 la synapse, et d\u00e9termine ainsi l\u2019efficacit\u00e9 de la transmission synaptique. De plus, de nombreux travaux men\u00e9s par notre laboratoire et d\u2019autres ont permis de d\u00e9voiler l\u2019extr\u00eame r\u00e9gulation \u00e0 laquelle sont soumise ces processus et leurs r\u00f4les d\u00e9terminant dans divers processus physiopathologiques. Nous avons par exemple r\u00e9cemment \u00e9tabli que la diffusion-stabilisation des r\u00e9cepteurs\u00a0 du neurotransmetteur glutamate de type AMPA est indispensable pour la potentiation des synapses glutamatergiques en r\u00e9ponse \u00e0 une forte activit\u00e9 synaptique. Ce processus, appel\u00e9 potentialisation \u00e0 long terme, semble \u00eatre un des substrat cellulaire majeur des ph\u00e9nom\u00e8ne de m\u00e9moire et d\u2019apprentissage. En support de cet hypoth\u00e8se, nous avons d\u2019ailleurs \u00e9tabli que le blocage de la mobilit\u00e9 des r\u00e9cepteurs emp\u00eache la formation de certaines formes de m\u00e9moire. Dans un autre registre, une mobilit\u00e9 anormale des r\u00e9cepteurs semble \u00eatre impliqu\u00e9e dans les d\u00e9ficits mn\u00e9siques observ\u00e9s dans diff\u00e9rentes pathologies telles que les maladies d\u2019Alzheimer ou de Huntington.<\/p>\n
Il est donc tr\u00e8s important de pouvoir \u00e9tudier ces processus de mobilit\u00e9 des r\u00e9cepteurs et les contr\u00f4ler, dans un contexte aussi proche de la r\u00e9alit\u00e9 physiologique. Cependant, les techniques d\u2019imagerie et les outils mol\u00e9culaires n\u00e9cessaires pour l\u2019\u00e9tude de ces ph\u00e9nom\u00e8nes de mobilit\u00e9 sont depuis longtemps rest\u00e9s essentiellement limit\u00e9s \u00e0 des syst\u00e8mes exp\u00e9rimentaux r\u00e9ducteurs que sont les cultures dissoci\u00e9es de neurones. Ces syst\u00e8mes, m\u00eame s\u2019ils pr\u00e9sentent un int\u00e9r\u00eat certain, ne reproduisent pas l\u2019int\u00e9gralit\u00e9 de la complexit\u00e9 d\u2019un tissus nerveux, manquant en particulier de reproduire l\u2019environnement cellulaire et la connectivit\u00e9 du cerveau intact.<\/p>\n
Dans le travail publi\u00e9 dans Science Advances, nous avons d\u00e9velopp\u00e9 un nouveau mod\u00e8le de souris g\u00e9n\u00e9tiquement modifi\u00e9e et une panoplie d\u2019outils mol\u00e9culaire et un instrument d\u2019imagerie qui nous permettent maintenant de d\u00e9passer cette limite et mesurer et manipuler la mobilit\u00e9 des r\u00e9cepteurs dans le tissus c\u00e9r\u00e9bral intact, jusqu\u2019\u00e0 in vivo. En utilisant le mod\u00e8le des r\u00e9cepteurs AMPA du glutamate, qui sont sous-jacents \u00e0 la transmission excitatrice dans le cerveau, nous avons utilis\u00e9 une technique d\u2019\u00e9tiquetage de la sous-unit\u00e9 GluA2 de ces r\u00e9cepteur avec une s\u00e9quence peptidique qui permet l\u2019ajout un r\u00e9sidu biotine en pr\u00e9sence de l\u2019enzyme biotine ligase. Dans le mod\u00e8le de souris que nous avons d\u00e9velopp\u00e9, toutes les sous-unit\u00e9s GluA2 sont \u00e9tiquet\u00e9es, mais sont uniquement biotinyl\u00e9e dans les neurones dans lesquels nous exprimons la biotine ligase.\u00a0 La puissance de cette m\u00e9thode permet de r\u00e9aliser un marquage sp\u00e9cifique des r\u00e9cepteurs dans des populations de neurones d\u00e9termin\u00e9es. Ce marquage sp\u00e9cifique nous donne d\u2019une part acc\u00e8s \u00e0 l\u2019utilisation de techniques d\u2019imagerie \u00e0 haute r\u00e9solution dans les tissus, et d\u2019autre part nous permet de contr\u00f4ler la mobilit\u00e9 des r\u00e9cepteurs \u00e0 l\u2019aide de ligands multivalents de la biotine. Nous pr\u00e9sentons de ce point de vue le d\u00e9veloppement d\u2019une nette am\u00e9lioration de la technologie d\u2019imagerie par feuille de lumi\u00e8re, qui permet de mesurer la mobilit\u00e9 des r\u00e9cepteurs endog\u00e8nes dans des tranches de cerveau. Nous appliquons cet ensemble de technologies pour \u00e9tablir que les r\u00e9cepteurs de types AMPA endog\u00e8nes sont bien mobiles dans le tissus c\u00e9r\u00e9bral, ainsi que nous l\u2019avions pr\u00e9dit \u00e0 partir de nos travaux sur cellules en culture, et que cette mobilit\u00e9 est indispensable pour la potentialisation \u00e0 long terme et certaines formes de m\u00e9moire conditionnelle. Ce nouveau mod\u00e8le exp\u00e9rimental et cette boite \u00e0 outil va nous permettre d\u2019une part d\u2019explorer les propri\u00e9t\u00e9s et le r\u00f4le de la mobilit\u00e9 des r\u00e9cepteurs AMPA et pourra d\u2019autre part \u00eatre appliqu\u00e9e \u00e0 tout un ensemble d\u2019autres prot\u00e9ines membranaires tels que d\u2019autres types de r\u00e9cepteurs, canaux ioniques ou des prot\u00e9ines d\u2019adh\u00e9sion.<\/p>\n
Figure: Un mod\u00e8le de souris transg\u00e9nique permet la biotinylation enzymatique sp\u00e9cifique des sous-unit\u00e9s endog\u00e8nes des r\u00e9cepteurs du glutamate. Leur mobilit\u00e9 \u00e0 la membrane plasmique peut \u00eatre mesur\u00e9e ou contr\u00f4l\u00e9e dans le tissu c\u00e9r\u00e9bral \u00e0 l’aide de prot\u00e9ines fluorescentes de liaison \u00e0 la biotine. La r\u00e9ticulation de ces prot\u00e9ines permet un contr\u00f4le sp\u00e9cifique de la plasticit\u00e9 synaptique et du comportement des animaux.<\/em><\/p>\n <\/p>\n English summary: Advances in understanding how the brain works are intrinsically linked to advances in experimental methods. Neurotransmitter receptor dynamics play a key role in tuning synapse function and require new approaches to be studied at the level of intact brain tissue. In Science Advances, we report the development of a complete toolkit, from a new animal model and imaging instrumentation to molecular techniques for labeling and controlling the dynamics of receptors, that allow fluorescent labeling and manipulation of the movement of endogenous glutamate receptors in the brain.<\/em><\/p>\n <\/p>\n Figure: A biotin acceptor peptide tag (AP tag) knock-in mouse model allows target-specific enzymatic biotinylation of endogenous glutamate receptor subunits. Their surface diffusion dynamics can be measured or controlled in brain tissue using fluorescent biotin binding proteins (BBP). Crosslinking with BBP allows for target-specific control of synaptic plasticity and animal behavior.<\/em><\/p>\n <\/p>\n Contact chercheurs<\/strong><\/p>\n
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